Modelación analítica y numérica para predicción y calibración de caudales de infiltración en obras subterráneas – Túneles. Casos de estudio: Colombia, Francia/Italia y España.

La cuantificación de los impactos en el ciclo hidrológico de terrenos montañosos causados por la construcción de obras subterráneas (túneles), presenta como principal fuente de incertidumbre el desconocimiento de las propiedades hidrodinámicas de los medios naturales. Una caracterización inadecuada de éstos conlleva a generar modelos conceptuales y numéricos no acordes con las características locales o regionales del medio y, en consecuencia, una estimación errónea del grado de afectación de los recursos hídricos durante la construcción. Con el uso de técnicas de modelación analítica y numérica, el hidrogeólogo puede realizar estimaciones de los caudales de infiltración y descensos del nivel piezométrico durante la excavación de un túnel. Sin embargo, la incertidumbre de los modelos estará limitada por la calidad de información y las suposiciones que se empleen. Ésta investigación (subdividida en tres partes) demostró que al tener una configuración e información geológica, hidráulica e hidrogeológica adecuada, los resultados pueden contribuir a evaluar el grado de afectación de la obra con varios escenarios de simulación. Antes de crear un modelo numérico se debe definir el modelo conceptual y realizar una caracterización hidráulica que permita cuantificar los parámetros hidrodinámicos del modelo. Sin lo anterior, los resultados no serán representativos con la realidad del problema. A partir de esta premisa se realizó una caracterización hidráulica (Packer Test, Slug Test, Pulso, bombeo a caudal constante) in-situ de 19 pruebas hidráulicas al interior de un túnel profundo (Túnel de La Línea – Colombia) encontrando que el diseño del pozo, el grado de fracturamiento de la roca y la presión hidráulica de los sondeos condiciona el tipo de ensayo a emplear. Una vez interpretadas las pruebas la variación de la conductividad hidráulica (K) está dada en seis ordenes de magnitud (10-5 – 10-10 m/s) clasificando el macizo en un medio de baja a moderada permeabilidad. En segunda medida, el modelador decide si emplea modelos analíticos que le permitan calcular la variación de los caudales con la excavación de un túnel profundo. En la literatura existen formulaciones matemáticas en estado estacionario que no son aplicables pues consideran el medio como un corte transversal con carga hidráulica constante. Una solución a esto es emplear expresiones en estado transitorio dependientes de los avances de excavación y propiedades hidrodinámicas del medio. Su utilización está limitada a las suposiciones empleadas por detrás. En general, el uso de estás ecuaciones se realiza de forma directa al predecir un caudal y son pocos los casos que se emplea la modelación inversa para calibrar los flujos observados en portales. Como solución a esto se desarrolló una herramienta de modelación analítica (TunWaterFlow V 1.0) para predecir y calibrar de caudales de infiltración ante la excavación de túneles profundos. Ésta herramienta basa su formulación en la expresión analítica de Perrochet y Dematteis [2007] para medios heterogéneos y permite realizar tanto modelación directa (conociendo los parámetros hidrodinámicos) como modelación inversa (conocimiento los caudales de infiltración) en transitorio, conociendo las tasas de excavación y configuración geológica del medio en capas verticales. Con su aplicación en tres casos de estudio (Túnel Piloto de La Línea – Colombia, Túnel exploratorio de Modane – Francia/Italia y Túneles de Pajares – España) en los que se presentaron flujos de infiltración superiores a 150 L/s se comprobó que la escala de los parámetros y considerar una carga hidráulica constante condiciona el grado de incertidumbre de predicción y calibración de los flujos durante la simulación. Se realizó un análisis de sensibilidad paramétrica al modelo, identificando que la conductividad hidráulica y los descensos son los parámetros más sensibles en la formulación y que a través de franjas de confianza, el modelador puede brindar una respuesta a la falta de información. Como última etapa, está investigación concluyó que las formulaciones analíticas en transitorio, no pueden simular los descensos progresivos y dependientes de los caudales de infiltración durante la excavación de uno o varios túneles. Lo anterior, puede ser resuelto empleando modelos numéricos que permitan definir condiciones de contorno, iniciales y mallas de elementos finitos estructuradas o no estructuradas, acordes con la geometría del túnel y complejidad geológica. Al realizar múltiples configuraciones de modelos bidimensionales (transversales y longitudinales) del Túnel de La Línea y el Túnel de Modane, y empleando un software comercial Feflow V6.2®, se logró comprobar que la malla empleada, la variación de las propiedades hidráulicas, los avances de excavación y las condiciones de contorno asignadas de tipo Dirichlet y dependientes del tiempo de simulación, condicionan el comportamiento de los descensos de la carga hidráulica y los caudales infiltrados para uno o múltiples túneles al tener aportes y afectación mayor en las zonas más permeables.

• Autores: Suescún Casallas, Luis Camilo
• Fecha de publicación: 2016
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/58653
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/58653; http://bdigital.unal.edu.co/55471/
• Palabra clave: 51 Matemáticas / Mathematics; 55 Ciencias de la tierra / Earth sciences and geology; 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering; 69 Construcción / Building and construction; Túnel; Modelación analítica y numérica; Hidrogeología; Caudales de infiltración; Abatimientos; Calibración; Predicción; Tunnel; Analytical and numerical modeling; Hydrogeology; Seepage flow; Drawdown; Calibration; Prediction; Modélisation analytique et numérique; Hydrogéologie; Flux infiltré; Rabattement; Prédiction
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